KURZUS: Elektrotechnika
MODUL: Transzformátorok
33. lecke: Egy- és háromfázisú transzformátorok működése
Tanulási célok | ||
A lecke áttanulmányozása után Ön képes lesz: | ||
| ||
Tevékenységek | ||
| ||
Tananyag | ||
A villamos gépek - mint minden más gép is - energiát alakítanak át, ezért szokás enegiaátalakító berendezésekről beszélni. A transzformátorok villamos energiából villamos energiát képeznek, a forgó villamos gépek többnyire mechanikai energiát alakítanak át villamos energiává vagy fordítva. | ||
A transzformátorokat a műszaki élet legkülönbözőbb területein használják. Alkalmazásukkal a villamos energia jellemzőit (feszültségét, áramerősségét, néha fázisszámát) változtatják meg. Azokat a transzformátorokat, amelyek a villamos energia átvitelében vesznek részt, gyűjtőnéven "erőátviteli" transzformátoroknak nevezzük. | ||
| ||
Természetesen a műszaki élet egyéb területein is használnak transzformátorokat, pl. elektronika, távközléstechnika, biztonságtechnika stb. Az alkalmazás célja nagyon változó: feszültség, áram vagy impedancia átalakítása lehet a cél. | ||
Egyfázisú transzformátorok | ||
A transzformátorok működését az egyfázisú transzformátorok esetén vizsgáljuk. A transzformátorok működési elve a Faraday-féle indukción alapszik, azaz: | ||
A transzformátorok legfontosabb szerkezeti eleme a vasmag és az ezen elhelyezett egy vagy több tekercs. | ||
A transzformátor vasmagját általában lemezelten készítik, hogy csökkentsék az örvényáramú veszteséget (vasveszteség = örvényáramú + hiszterézis veszteség). A vasmag kialakítása szerint létezik | ||
| ||
típusú transzformátor. | ||
| ||
A fenti ábrában az ún. főfluxus, és a primer és szekunder tekercsen valamint a levegőn keresztül záródó ún. primer és szekunder szórt fluxus. | ||
Az energiaáramlás szempontjából nézve primer tekercsnek nevezzük azt az oldalt, ahova az energiát betápláljuk. Szekunder tekercs az, ahonnan az energiát elvezetjük a fogyasztó/terhelés (Zt) táplálása érdekében. | ||
Határozzuk meg a transzformátor tekercseiben indukálódó feszültséget: | ||
Az indukciótörvényt felhasználva: | ||
Az indukált feszültség maximuma: | ||
Azaz az indukált feszültség a tekercsekben: | ||
A menetszámáttétel nem más, mint a menetszámok aránya: | ||
Az indukált feszültségek aránya megegyezik a menetszámáttétellel. Ezt hívjuk feszültségáttételnek: | ||
Ezt az áttételt üresjárásban mérve: | ||
Az áramáttétel a feszültségáttétel reciproka: | ||
Az impedanciaáttétel: | ||
Egyfázisú transzformátor szerkezete | ||
Az alábbi ábra a hagyományos, két tekercses transzformátorok kialakítását mutatja, külön oszlopon helyezkedik el a primer és a szekunder tekercs. | ||
| ||
Helyettesítő kapcsolási vázlat | ||
Az alábbi ábra mutatja a transzformátorok villamos helyettesítő kapcsolási képét. Ez egy műkapcsolás, amelyhez a transzformátor tényleges fizikai folyamataitól való elvonatkoztatással jutunk. A helyettesítő kapcsolási vázlat ellenállások és reaktanciák kombinációja, amely bizonyos elhanyagolásokkal úgy viselkedik, mint az erőátviteli transzformátor állandósult állapotban. | ||
| ||
A helyettesítő kapcsolásban szereplő elemek jelentése: | ||
A vessző (') jelentése: szekunder oldali mennyiségek átszámítása/redukálása a primer oldalra az áttétel (a) figyelembe vételével (pl. R'2 = a2 R2) | ||
A helyettesítő képben szereplő mennyiségek egymáshoz viszonyított aránya a következő: | ||
R1: R2 : XS1: XS2 : X0 : R0 = 1 : 1 : 2 : 2 : 1000 : 10000 | ||
Vizsgáljuk meg a transzformátorok működését különböző üzemállapotban: üresjárásban, névleges terhelésnél és rövidzár esetén. | ||
Üresjárás | ||
Üresjárás esetén a transzformátor szekunder kapcsaira nem kapcsolunk terhelést, így a szekunder tekercsben nem folyik áram. Az egyszerűsített helyettesítő képet az alábbi ábra mutatja: | ||
| ||
Az üresjárási üzemállapotra jellemző vektorábra: | ||
| ||
Üresjárás esetén: | ||
ahol: | ||
| ||
A főfluxus által indukált feszültséget úgy kapjuk meg, hogy az U1 primer kapocsfeszültségből levonjuk az üresjárási áram által a primer tekercs ellenállásán és szórási reaktanciáján okozott feszültségeket. Az ohmos feszültség fázisban van az üresjárási árammal, a szórt fluxus által indukált feszültség pedig negyed periódussal siet (induktív feszültség). | ||
Terhelés | ||
Terheléskor a szekunder kapcsokra fogyasztókat kapcsolunk. A fogyasztókon és a szekunder tekercsen keresztül megindul az I2 szekunder áram, illetve a helyettesítő kapcsolási vázlat redukált szekunder tekercsén keresztül az I2' redukált szekunder áram. Nagyságát és fázisát a fogyasztók szabják meg. A fogyasztók általában wattos és meddő teljesítményt is fogyasztanak. Ezért I2, illetve I2' általában késik a szekunder kapocsfeszültség mögött. | ||
Az üzemállapotra jellemző egyenletek: | ||
A terhelt transzformátor I1 primer árama nagyobb, mint az I0 üresjárási primer áram és más a fázisa. Ezért megváltoztak a primer áram által a primer tekercs ellenállásán és szórási reaktanciáján okozott feszültségesések is: | ||
Ezért változatlan U1 primer kapocsfeszültség esetén kis mértékben megváltozik Ue is. | ||
Rövidebben jelölve: | ||
A redukált szekunder kapocsfeszültség: | ||
Rövidebben jelölve: | ||
Névleges terhelés esetén az érvényes vektorábra a fentiek alapján az alábbi ábrán látható: | ||
| ||
Rövidzárás | ||
A rövidzárási állapot az üresjárásival ellentétes szélső terhelési állapot. A szekunder kapcsokat rövidre zárjuk, de ez az állapot nem üzemszerű állapot! Hosszú ideig nem tartható fent, mert a tekercsekben folyó áramok erőssége 10-25-szor nagyobb, mint névleges terhelés esetén. Ez az állapot a transzformátor tönkremenetelét okozhatja ezért különböző védelmeket (pl. megszakítók, olvadó biztosítók) kell beépíteni. A lekapcsolásnak olyan rövid idő alatt kell megtörténnie, hogy a tekercsek ne égjenek el a rövid lekapcsolási idő alatt (nincs idejük felmelegedni). A primer, illetve szekunder árammal arányosan megnőnek azonban a szórt fluxusok. A szórt fluxusok nagy mechanikai erőt fejtenek ki a tekercsekre a rövidzárási állapotban, ezért a mechanikai méretezésnél ez figyelembe kell venni. Az üzemállapotban érvényes helyettesítő kép az alábbi ábrán látható: | ||
| ||
Rövidzárás esetén az alábbi összefüggések érvényesek: | ||
A fentiek alapján a rövidzárában érvényes vektorábra: | ||
| ||
Drop (százalékos rövidzárási feszültség) | ||
A transzformátor szekunder kapcsait rövidre zárva, azt a primer feszültséget, amelynél a primer tekercsben a névleges primer áram (I1n) folyik, rövidzárási feszültségnek nevezzük: | ||
U1z = I1n Zz, | ||
természetesen ilyenkor a szekunder tekercsben is a névleges szekunder áram (I2n)folyik. A rövidzárási feszültségnek a névleges primer feszültséghez viszonyított értéke a drop, vagy százalékos rövidzárási feszültség: | ||
A drop kiszámításával a transzformátor maximális terhelési értékét lehet meghatározni. | ||
A drop tehát a rövidzárási feszültségnek a névleges primer feszültséghez viszonyított értéke százalékos értékben kifejezve. A rövidzárási mérés a rövidzárási feszültség és a tekercs veszteség meghatározására szolgál. | ||
Amennyiben egy transzformátor terhelését növelni kívánjuk, akkor figyelembe kell venni a dropot, mert a kis drop értékű transzformátor túlterhelődik, melegszik és tönkremegy. Ezért általában a transzformátorokat úgy méretezik, hogy még maximális terhelés esetén is legyen 10-20%-os tartaléka. | ||
Háromfázisú transzformátorok | ||
Erőátviteli transzformátorokat tekintve a háromfázisú transzformátoroknak nagyobb a jelentősége, mint az egyfázisúaknak, mivel a villamos energia termelése, elosztása és felhasználása - a gazdasági előnyök miatt - túlnyomórészt háromfázisú rendszerrel történik. Az alábbi ábrákon különböző elrendezésű és kapcsolású transzformátorok láthatók. | ||
| ||
| ||
Csillag-csillag kapcsolású transzformátor | ||
A primer oldalon nincs "0" vezető (szabványos nagyfeszültségű rendszerek). A kiegyenlítő áram a fázistekercseken keresztül tud folyni oly módon, hogy mindegyik üresjárási áramhoz hozzáadódik a kiegyenlítő áram egy-egy harmada. | ||
A primer fázis tekercsben a szükséges gerjesztő áramon kívül még a kiegyenlítő áram egy-egy harmada is folyik, melyek minden fázistekercsben azonos fázisúak. Ezek az áramok a szabályos (szimmetrikus) háromfázisú fluxuson felül minden oszlopban azonos fázisú fluxust gerjesztenek. A fluxusok azonos fázisa azt jelenti, hogy irányuk mindhárom oszlopban felfelé, majd egy fél periódus idő múlva lefelé mutat. | ||
Háromszög kapcsolású transzformátorok | ||
A háromoszlopos transzformátorok vasmagjában fellépő azonos fluxusok feszültséget indukálnak az egyes fázistekercsekben. Ezek a feszültségek azonos fázisúak, akárcsak az őket indukáló fluxusok, ezért szuperponálódnak (megváltoztatják a fázis feszültségeket, fázisát, jelleggörbe alakját). Ezért a járom fluxusok hatásának kiküszöbölésére a járommenetek alkalmasak. Alkalmazásukkal az oszlopokban folyó fő fluxusok összege minden pillanatban zérus. Hatásukra a járommenetekben olyan áram kering, amelyeknek gerjesztése az indukáló fluxusok ellen hat. Ezért az azonos fázisú fluxusok elhanyagolhatóan kicsinyek lesznek. A háromszög kapcsolású tekercselés önmagában úgy záródik, hogy mindhárom oszlopot azonos menetszámmal és értelemben járja körül. Hatása ezért olyan, mint a járommeneteké. Az egyfázisú (azonos fázisú zérus - sorrendű) fluxusok elhanyagolhatóan kicsinyek, ha a transzformátor bármelyik tekercselése háromszög kapcsolású. A háromszög kapcsolású tekercselésen belül kering az az áram, amelynek gerjesztése az azonos fázisú fluxusokat lerontja. |
Önellenőrző feladatok | |||||||
Töltse ki az alábbi feladatlapot! | |||||||
1. Egészítse ki a következő mondatot! A transzformátorokkal a villamos energia jellemzőit: feszültségét, , néha változtatják meg. ![]() | |||||||
2. Adja meg, hogy melyik válasz a helyes!
![]() | |||||||
3. Adja meg, hogy melyik válasz a helyes!
![]() | |||||||
4. Adja meg, hogy melyik válasz a helyes!
![]() | |||||||
5. Adja meg, hogy melyik válasz a helyes!
![]() | |||||||
6. Egészítse ki a következő mondatot!
![]() | |||||||
7. Egészítse ki a következő mondatot!
![]() | |||||||
8. Egészítse ki a következő mondatot!
![]() | |||||||
9. Egészítse ki a következő mondatot! A transzformátor szekunder kapcsait rövidre zárva, azt a feszültséget, amelynél a primer tekercsben a névleges primer áram folyik, rövidzárási feszültségnek nevezzük. ![]() |